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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Übertragung von Daten in Nachrichten oder Datenrahmen zwischen wenigstens zwei Teilnehmern eines Bussystems.
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Beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
DE 100 00 305 A1 ist das Controller Area Network sowie eine als „Time Triggered CAN” (TTCAN) bezeichnete Erweiterung des CAN bekannt. Das beim CAN verwendete Medienzugriffssteuerverfahren beruht auf einer bitweisen Arbitrierung. Bei der bitweisen Arbitrierung können mehrere Teilnehmerstationen gleichzeitig Daten über den Kanal des Bussystems übertragen, ohne dass hierdurch die Datenübertragung gestört wird. Die Teilnehmerstationen können weiterhin beim Senden eines Bits über den Kanal den logischen Zustand (0 oder 1) des Kanals ermitteln. Entspricht ein Wert des gesendeten Bits nicht dem ermittelten logischen Zustand des Kanals, dann beendet die Teilnehmerstation den Zugriff auf den Kanal. Bei CAN wird die bitweise Arbitrierung üblicherweise in einem Arbitrierungsfeld innerhalb einer über den Kanal zu übertragenden Nachricht vorgenommen. Nachdem eine Teilnehmerstation das Arbitrierungsfeld vollständig an den Kanal gesendet hat, weiß sie, dass sie exklusiven Zugriff auf den Kanal hat. Somit entspricht das Ende der Übertragung des Arbitrierungsfelds einem Beginn eines Freigabeintervalls, innerhalb dessen die Teilnehmerstation den Kanal exklusiv nutzen kann. Gemäß der Protokollspezifikation des CAN dürfen andere Teilnehmerstationen so lange nicht auf den Kanal zugreifen, das heißt Daten an den Kanal senden, bis die sendende Teilnehmerstation ein Prüfsummenfeld (CRC-Feld) der Nachricht übertragen hat. Somit entspricht ein Endzeitpunkt der Übertragung des CRC-Felds einem Ende des Freigabeintervalls.
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Durch die bitweise Arbitrierung wird eine zerstörungsfreie Übertragung der Nachrichten über den Kanal erreicht. Die auf dem CAN-Bus übertragenen Nachrichten werden auch Datenrahmen genannt. Durch die zerstörungsfreie Übertragung ergeben sich gute Echtzeiteigenschaften des CAN, wohingegen bei den Medienzugriffssteuerverfahren, bei denen die von einer Teilnehmerstation gesendeten Nachrichten aufgrund einer Kollision mit einer von einer anderen Station gesendeten weiteren Nachricht während der Übertragung über den Kanal zerstört werden kann, ein deutlich ungünstigeres Echtzeitverhalten haben, da es aufgrund der Kollision und der dadurch erforderlichen neuen Übertragung der Nachricht zu einer Verzögerung der Datenübertragung kommt.
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Die Protokolle des CAN eignen sich besonders zum Übertragen kurzer Meldungen unter Echtzeitbedingungen. Sollen größere Datenblöcke über eine CAN-Domäne übertragen werden, dann wird die relativ geringe Bitrate des Kanals zu einem begrenzenden Faktor. Um die korrekte Funktion der bitweisen Arbitrierung zu gewährleisten, muss während der Arbitrierung für die Übertragung eines Bits eine in erster Linie von der Ausdehnung des Bussystems, der Signalausbreitungsgeschwindigkeit auf dem Kanal und intrinsischen Verarbeitungszeiten in den Schnittstellenmodulen der Busteilnehmer abhängige Mindestdauer eingehalten werden, denn alle Busteilnehmer müssen ein einheitliches Bild des Buszustands (0 oder 1) und gleichberechtigten Zugriff auf den Buszustand haben. Die Bitrate kann durch Verringern der Dauer der einzelnen Bits daher nicht ohne weiteres erhöht werden.
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Um dennoch einen für die Programmierung einer Steuereinheit benötigten relativ großen Datenblock über eine eigentlich für den Anschluss an eine CAN-Domäne vorgesehene Kommunikationsschnittstelle hinreichend schnell übertragen zu können, schlägt die
DE 101 53 085 A1 vor, die Kommunikationsschnittstelle zum Übertragen des Datenblocks vorübergehend in einen anderen Kommunikationsmodus umzuschalten, bei dem keine bitweise Arbitrierung durchgeführt wird und somit eine relativ hohe Bitrate möglich ist. Allerdings muss hierbei die Kommunikation mit den Protokollen des CAN für eine gewisse Zeit unterbrochen werden. Kann beispielsweise aufgrund eines Fehlers nicht mehr der Betrieb des Bussystems nach den CAN-Protokollen aufgenommen werden, dann kommt es zu einem Ausfall des Bussystems. Zudem kommt es durch die Übertragung eines relativ großen Datenblocks zu einer erheblichen Verzögerung der nachfolgenden gemäß den Protokollen des CAN vorzunehmenden Übertragungen, so dass die Echtzeiteigenschaften des CAN beeinträchtigt werden.
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DE 103 11 395 A1 beschreibt ein System, bei welchem die asynchrone, serielle Kommunikation alternativ über ein asymmetrisches physikalisches oder über das symmetrische physikalische CAN-Protokoll erfolgen kann, und dadurch eine höhere Datenübertragungsrate oder -sicherheit für die asynchrone Kommunikation erzielbar ist.
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DE 10 2007 051 657 A1 schlägt vor, in den exklusiven Zeitfenstern des TTCAN-Protokolles eine asynchrone, schnelle, nicht CAN-konforme Datenübertragung anzuwenden, um die übertragene Datenmenge zu erhöhen.
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G. Cena und A. Valenzano behandeln in „Overclocking of controller area networks" (Electronics Letters, Vol. 35, No. 22 (1999), S. 1924) von theoretischer Seite die Auswirkungen einer Übertaktung der Busfrequenz in Teilbereichen der Nachricht auf die effektiv erzielte Datenrate, ohne jedoch auf Details der Methodik und die verschiedenen Zustände und Zustandsübergänge der Busteilnehmer einzugehen.
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Es zeigt sich aus den zitierten Schriften, dass der Stand der Technik nicht in jeder Hinsicht befriedigende Ergebnisse liefert.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung beschreibt ein Verfahren, durch welches in einem CAN-Netzwerk Nachrichten in kürzerer Zeit übertragen werden können und gleichzeitig wesentliche Eigenschaften des CAN hinsichtlich Fehlererkennung und Fehlerbehandlung sowie netzwerkweite Datenkonsistenz erhalten bleiben. Hierzu wird ein gegenüber dem CAN-Protokoll nach ISO 11898-1 bis -4, das im Folgenden Norm-CAN genannt wird, modifiziertes Datenübertragungsverfahren, im Folgenden AC(„alternate coding”)-CAN genannt, vorgeschlagen.
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Die beschriebene Aufgabe wird durch dieses Datenübertragungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs eins, sowie durch die in den unabhängigen Ansprüchen beschriebene Vorrichtung gelöst.
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Vorteile der Erfindung
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Die beschriebene Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Bitcodierung innerhalb einer Nachricht über mindestens zwei unterschiedliche Verfahren erfolgt, wobei für wenigstens einen ersten vorgebbaren Bereich innerhalb der ausgetauschten Nachrichten die Codierung der Bits nach dem Verfahren gemäß der CAN-Norm ISO 11898-1 erfolgt und bei Vorliegen einer Umschaltbedingung für wenigstens einen zweiten vorgebbaren Bereich innerhalb der ausgetauschten Nachrichten die Codierung der Bits nach einem von der CAN-Norm ISO 11898-1 abweichenden Verfahren erfolgt.
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Ein Vorteil dieses Verfahrens ist, dass die logische Struktur der CAN-Nachrichten weitgehend, nämlich zumindest für den Bereich zwischen SOF und CRC-Delimiter erhalten bleibt. Die Schnittstelle zum Anwendungs-Programm kann dementsprechend unverändert bleiben. AC-CAN Controller können auch in Norm-CAN Netzwerken eingesetzt werden. In einem Netzwerk, das ausschließlich Teilnehmer mit AC-CAN Controllern umfasst, schalten alle Teilnehmer nach der Arbitrierung in den schnellen Modus, so dass alle Synchronisations- und Fehlererkennungsmechanismen weiter ihre Aufgabe erfüllen können. Es ist zudem vorteilhaft, dass die im zweiten Bereich verwendete Codierung so gewählt werden kann, dass eine erhöhte Datenübertragungsrate, eine erhöhte Datenübertragungssicherheit oder eine geringere Abstrahlung elektromagnetischer Wellen erreicht wird.
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In vorteilhafter Weise wird bei Vorliegen der Umschaltbedingung in dem genannten zweiten Bereich eine NRZ-Codierung mit geringerem Spannungs-Hub und von der sendenden Teilnehmerstation schwach getriebenem rezessivem Pegel oder eine NRZI-Codierung, bei der das Auftreten einer Signalflanke als dominantes Bit interpretiert wird, verwendet Ebenfalls vorteilhaft kann die Verwendung einer Frequenz- oder Amplitudenmodulation beziehungsweise – umtastung zur Darstellung der rezessiven und dominanten Bits sein. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn eine dritte Frequenz beziehungsweise Amplitude zur Signalisierung eines erkannten Fehlers in der Datenübertragung angewendet wird.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird bei Vorliegen der Umschaltbedingung der elektrische Widerstand zwischen den Busleitungen durch schaltbare Widerstände an das Verfahren zur Bit-Codierung angepasst.
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Es kann zudem vorteilhaft sein, parallel zu der Übertragung von Bits nach dem von der Norm abweichenden Verfahren auch Bits nach dem normgemäßen Codierungsverfahren zu übertragen.
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Um den Vorteil zu erzielen, dass die Datenübertragungsrate erhöht wird, ist es möglich, in einem dritten Bereich, der vom zweiten Bereich umfasst wird oder mit ihm übereinstimmt, den Bustakt zu erhöhen, beispielsweise durch Anpassung eines Skalierungsfaktors zur Einstellung der Bus-Zeiteinheit relativ zu einer kleinsten Zeiteinheit oder dem Oszillatortakt.
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Unter anderem zur Bewahrung der Fehlersicherheit ist es vorteilhaft, dass der zweite beziehungsweise dritte Bereich mit modifizierter Übertragung bei Erkennung eines Grundes zum Start eines Error-Frames oder bei Erreichen eines für die Rückumschaltung festgelegten Bits endet.
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Vorteilhafterweise beginnt der zweite Bereich bei Vergabe des Buszugriffes durch Arbitrierung frühestens mit dem ersten Bit des Data Length Code und endet spätestens mit dem CRC Delimiter und das Vorliegen der Umschaltbedingung wird durch eine geeignete Kennzeichnung signalisiert, um busweite Datenkonsistenz für die korrekte Vergabe des Buszugriffes sicherzustellen. Bei zeitgesteuerter Buskommunikation kann es vorteilhaft sein, den zweiten Bereich auch schon früher beginnen zu lassen, frühestens mit dem Start of Frame-Bit.
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Vorteilhaft ist es schließlich, wenn das Kommunikationsprotokoll dahingehend verändert wird, dass sendende Busteilnehmer zumindest bei Vorliegen einer Umschaltbedingung gegenüber der Spezifikation ISO 11898-1 eine um ein Bit zu späte Bestätigung (Acknowledge) des korrekten Empfanges einer Nachricht durch einen oder mehrere Empfänger und/oder einen maximal zwei Bit langen Acknowledge-Slot akzeptieren und nicht als Fehler behandeln. Dadurch wird vermieden, dass es zu unnötigen Fehlermeldungen kommt, wenn aufgrund von Signallaufzeiten oder internen Verarbeitungszeiten Zustandsübergänge zwischen den Übertragungsverfahren in verschiedenen Busteilnehmern zu nicht exakt übereinstimmenden Zeitpunkten stattfinden.
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Zeichnungen
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Die Erfindung wird im Weiteren anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt schematisch ein Zustandsdiagramm mit den verschiedenen Zuständen, die ein AC-CAN Controller bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens einnehmen kann, sowie den Übergangsbedingungen.
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2 zeigt zwei Beispiele für mögliche Verfahren zur Bit-Codierung.
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3a und 3b zeigen schematisch den Aufbau von zur Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Busanschlusseinheiten.
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3c zeigt eine solche Busanschlusseinheit, die zusätzlich Mittel aufweist, um den elektrischen Widerstand zwischen den angeschlossenen Busleitungen an das Übertragungsverfahren anzupassen.
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4 zeigt die Struktur einer CAN-Nachricht im Standard Format und im Extended Format mit der erfindungsgemäßen Aufteilung in Bereiche unterschiedlicher Bit-Codierung und mit der Kennzeichnung durch ein reserviertes Bit.
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5 zeigt ein Beispiel für die Erweiterung des Bereiches reduzierter Bitlänge bei Kombination des Verfahrens mit dem zeitgesteuerten Übertragungsverfahren des TTCAN-Protokolls, dargestellt durch eine System-Matrix.
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6 zeigt die eine Möglichkeit zur Aufteilung einer Nachricht in einem exklusiven TTCAN-Zeitfenster in Bereiche unterschiedlicher Bit-Codierung.
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7 zeigt die gegenüber dem Stand der Technik erweiterten Akzeptanzkriterien für CRC-Delimiter oder Acknowledge-Bit bei Verwendung der alternativen Bit-Codierung.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Im Weiteren werden Ausführungsbeispiele für das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung beschrieben. Diese konkreten Beispiele werden zur Erläuterung der Ausführung eingesetzt, beschränken aber nicht den Umfang des Erfindungsgedankens.
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Zunächst werden in einem ersten Ausführungsbeispiels anhand der 1 bis 3 die Zustände des erfindungsgemäßen AC-CAN Controllers und die zugehörigen Datenübertragungs-Eigenschaften, sowie deren Übergänge und die hierfür notwendigen Übergangsbedingungen beschrieben.
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1 stellt die drei Betriebs-Zustände des AC-CAN-Controllers dar: Norm-CAN 101, AC-CAN-Arbitration 102 und AC-CAN-Data 103. Im Betriebs-Zustand Norm-CAN 101 arbeitet er nach dem Norm-CAN Protokoll. Im Betriebs-Zustand AC-CAN-Arbitration 102 verhält er sich wie ein Norm-CAN Controller, kann aber auch in den AC-CAN-Data Zustand 103 wechseln. Im AC-CAN-Data Zustand 103 weicht sein Verhalten von dem eines Norm-CAN Controllers ab, denn die über den Bus zu übertragenden Bits werden nach einem alternativen Verfahren codiert Der erfindungsgemäße Controller befindet sich nach dem Einschalten im AC-CAN-Arbitration Modus 102, wenn dies durch das Anwendungs-Programm angefordert wird. Andernfalls befindet er sich nach dem Einschalten im Norm-CAN Modus 101.
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Als Teil der geänderten Bit-Codierung oder zusätzlich dazu kann auch im AC-CAN-Data Zustand 103 die Bustaktrate modifiziert werden. Es kann eine Veränderung des Skalierungsfaktors (Prescaler) zwischen Bustakt und dem Oszillatortakt im laufenden Betrieb vorgesehen werden. Dadurch wird die Länge der Bus-Zeiteinheiten eingestellt. In den Zuständen AC-CAN-Arbitration 102 und Norm-CAN 101 wird die lange Bus-Zeiteinheit verwendet, im Zustand AC-CAN-Data 103 die kurze Bus-Zeiteinheit. Die Zeitdauer, die insgesamt zur Übertragung der Daten, beispielsweise des Data Length Code, des Datenfeldes und des CRC-Feldes, im Zustand AC-CAN-Data benötigt wird, kann also unterschiedlich sein gegenüber der Zeitdauer, die bei normgemäßer Datenübertragung notwendig wäre.
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In einem alternativen Ausführungsbeispiel können auch die Verwendung der alternativen Codierung der Bits und die Veränderung der Bustaktrate unabhängig voneinander erfolgen, sofern bei der verwendeten Codierung noch von einer Bustaktrate gesprochen werden kann, also die einzelnen Bits der Nachricht in zeitlicher Folge nacheinander übertragen werden. Das zu 1 analoge Zustandsdiagramm ist dann entsprechend aufwändiger, denn es muss dann die verschiedenen Kombinationen der möglichen Änderungen des Übertragungsverfahrens (normale/modifizierte Codierung, normale/modifizierte Taktrate) und deren Übergänge enthalten. Im Folgenden wird von dem einfachen Zustandsdiagramm gemäß 1 ausgegangen.
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Im AC-CAN-Arbitration Zustand 102 wird beispielsweise als Kennzeichnung das „reserved bit” R0, das im CAN Frame vor dem Data Length Code DLC liegt, rezessiv gesendet. Im Norm-CAN Protokoll ist spezifiziert, dass dieses Bit dominant gesendet werden muss. Wenn ein AC-CAN Controller dieses Bit dominant empfängt und wenn dies durch das Anwendungs-Programm so eingestellt wurde, wechselt er dauerhaft in den Norm-CAN Zustand (Zustandswechsel T1 oder T2). Dadurch wird sichergestellt, dass AC-CAN und Norm-CAN Controller im selben Netz eingesetzt werden können und dann beide im Norm-CAN Protokoll arbeiten. Es kann auch ein anderes Bit als Kennzeichnung ausgewählt werden, für das im Norm-CAN Protokoll ein fester Wert spezifiziert ist. Ein anderes Umschalt-Kriterium, um dauerhaft in den Norm-CAN Zustand (Zustandswechsel T1 oder T2) zu wechseln, kann beispielsweise das überschreiten eines bestimmten Standes der CAN-Fehler-Zähler sein.
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Ein AC-CAN Controller im Zustand AC-CAN-Arbitration 102, der als Kennzeichnung beispielsweise das „reserved bit” R0 vor dem DLC rezessiv empfängt oder es erfolgreich rezessiv sendet, schaltet ab dem Sample-Point dieses Bits auf eine alternative Bit-Codierung um, beispielsweise eine NRZ (Non Return To Zero)-Codierung mit geringerem Spannungshub, und wechselt in den Zustand AC-CAN-Data 103 (Zustandswechsel T3). Zusätzlich erhöht er die Bustaktrate, indem er den Skalierungsfaktor umschaltet. Der Zustandswechsel kann auch mit einem zumindest näherungsweise konstanten Zeitabstand oder nach Ablauf einer definierten Anzahl von Bus-Zeiteinheiten nach dem Sample-Point erfolgen.
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Ein AC-CAN Controller im Zustand AC-CAN-Data 103 bleibt in diesem Zustand, bis eine von zwei Bedingungen eintrifft
- (A) Er sieht einen Grund, einen CAN-Error-Frame zu starten, oder
- (B) es wird im CAN-Frame der CRC-Delimiter erreicht.
Wenn (A) oder (B) erfüllt ist, schaltet der Controller zurück in den Zustand AC-CAN-Arbitration 102 (Zustandswechsel T4).
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In dem Bereich zwischen DLC und CRC-Delimiter gibt es nach dem CAN-Protokoll zwei Gründe, einen Error-Frame zu starten: (A1) der Transmitter sieht einen Bit-Error oder (A2) ein Receiver sieht einen Stuff-Error. Diese Gründe sind unabhängig von der verwendeten Methode zur Bit-Codierung, die Fehlerüberwachungsmechanismen des CAN-Protokoll können diesbezüglich also weiterhin angewendet werden. Am Ende des evtl. überlagerten Error-Flags, dem Beginn des Error-Delimiters, sind alle Controller im Netzwerk im Zustand AC-CAN-Arbitration 102.
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Sowohl in (A1) und (A2), als auch in (B) erfolgt der Wechsel T4 in den Zustand AC-CAN-Arbitration 102 und somit die Umschaltung des Skalierungsfaktors an dem Sample-Point, an dem die Bedingung eintrifft, oder mit einem zumindest näherungsweise konstanten Zeitabstand zu diesem. Der Zustandswechsel kann auch nach Ablauf einer definierten Anzahl von Bus-Zeiteinheiten nach dem Sample-Point erfolgen.
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Eine wesentliche Eigenschaft der Bit-Codierung bei Signalübertragung über den Norm-CAN ist die Möglichkeit, dass jeder Busteilnehmer durch ein dominantes Bit alle rezessiven Bits anderer Busteilnehmer überschreiben kann. Im Norm-CAN wird diese Eigenschaft dadurch realisiert, dass sich der rezessive Pegel durch Fließen eines Entladestromes über definierte Abschlusswiderstände einstellt, während der dominante Pegel durch die Teilnehmer durch Treiben eines Stromes herbeigeführt wird. Diese Eigenschaft ermöglicht es jedem Busteilnehmer, sich an der Fehlerüberwachung zu beteiligen und bei Bemerken eines Fehlers in der Datenübertragung durch Versenden eines dominanten, aktiven Error-Flag (sechs aufeinander folgende dominante Bits, vgl. ISO 11898-1 Kap. 10.4.4.2) alle anderen Busteilnehmer ebenfalls in einen Fehlerzustand zu versetzen. Diese Eigenschaft ist bei der Auswahl geeigneter alternativer Verfahren zur Bit-Codierung beizubehalten.
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Eine Alternative, die zur Reduktion der elektromagnetischen Abstrahlungen geeignet ist, ist die Verwendung einer NRZ-Codierung, die gegenüber der CAN-Norm einen geringeren Spannungs-Hub aufweist und zur Beschleunigung der Pegelwechsel mit schwach getriebenem rezessivem Pegel betrieben wird. Hierdurch werden gleichzeitig die notwendigen Zeiten zum Einstellen des jeweiligen Buspegels verkürzt und die fließenden Ströme und dadurch verursachten elektromagnetischen Felder klein gehalten. „Schwach getrieben” bedeutet in diesem Zusammenhang, dass zur Einstellung des rezessiven Pegels beispielsweise für kurze Zeit ein Strom durch den sendenden Teilnehmer getrieben wird, welcher parallel zum Entladestrom über die Abschlusswiderstände die Einstellung des rezessiven Pegels beschleunigt. Die durch den kurzen Stromfluss übertragene Ladungsmenge ist beispielsweise durch Einsatz von flankengetriggerten oder schwellwertgetriggerten Pulsgeneratoren oder durch eine geeignete Regelung oder Steuerung so zu begrenzen, dass weiterhin anderen Busteilnehmern die Möglichkeit bleibt, das rezessiv gesendete Bit im Fehlerfall durch ein dominantes Bit mit entsprechend stärkerem und/oder längerem Stromfluss in entgegengesetzter Richtung – also entgegen dem Entladestrom über die Abschlusswiderstände und dem zusätzlich vom rezessiv sendenden Busteilnehmer getriebenen Strom – zu überschreiben.
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Eine andere mögliche Alternative zur NRZ-Bit-Codierung des Norm-CAN ist in 2 schematisch in zwei verschiedenen Ausprägungen als Prinzipskizze dargestellt. Das dargestellte Verfahren, welches im Zustand AC-CAN-Data der erfindungsgemäßen AC-CAN-Controller zum Einsatz kommen könnte, ist eine Codierung gemäß einem NRZI(Non Return to Zero Invert)-Verfahren.
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Im Beispiel AC-CAN 1 werden bei dem vorgeschlagenen Codierungsverfahren im Zustand AC-CAN-Data die Nullen innerhalb des Bitstroms, welche im Norm-CAN die dominanten Bits sind, als Flankenwechsel zwischen den Buspegeln beziehungsweise Differenzspannungen U1 und U2 dargestellt, während die Einsen, also die rezessiven Bits als gleichbleibende Pegel dargestellt werden. Jeder Teilnehmer kann bei Kenntnis des aktuellen Buszustands einen Flankenwechsel von U1 nach U2 oder in umgekehrter Richtung durch Treiben eines geeigneten Stromes erzwingen und somit rezessive Bits (bei denen kein Strom getrieben wird) der anderen Busteilnehmer überschreiben.
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In dem alternativen Beispiel AC-CAN 2 werden im Zustand AC-CAN-Data die Einsen innerhalb des Bitstroms als Flankenwechsel zwischen den Buspegeln beziehungsweise Differenzspannungen U1 und U2 dargestellt, während die Nullen als gleichbleibende Pegel dargestellt werden. Sollen die Nullen wie gewohnt dominant übertragen werden, sich also gegenüber übertragenen Einsen durchsetzen können, kann in dieser Ausführungsform beispielsweise jeder Teilnehmer durch Herstellen einer niederohmigen Verbindung der beiden Busleitungen zu geeigneten Spannungsquellen, welche die aktuelle Differenzspannung U1 oder U2 aufrechterhalten, einen Flankenwechsel von U1 nach U2 oder in umgekehrter Richtung verhindern und somit rezessive Bits der anderen Busteilnehmer, bei denen ein Strom mit dem Ziel der Veränderung der Differenzspannung U1 oder U2 getrieben wird, überschreiben. Möglich wäre auch, die Einsen dominant und die Nullen rezessiv zu übertragen, wozu jedoch zusätzliche Anpassungen in der Protokollspezifikation notwendig wären.
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Eine weitere Alternative ist der Einsatz einer Frequenzmodulation beziehungsweise Frequenzumtastung zur Codierung der Bits. In diesem Ausführungsbeispiel werden im Zustand AC-CAN-Data die dominanten und rezessiven Bits des Bitstroms der Nachricht als Signal mit wenigstens zwei unterschiedlichen Frequenzen, zum Beispiel FD und FR, dargestellt, welches auf die Busleitungen aufgebracht wird. Es können auch Frequenzkombinationen oder -bereiche zur Darstellung der beiden Bits verwendet werden. Die Frequenzen sind hierbei so wählen, dass sie ausreichend Abstand zueinander aufweisen, um sicher getrennt werden zu können. Die Amplituden, Frequenzen und die Leitungsanordnung sind so zu wählen, dass es nicht zu unzulässiger Abstrahlung von elektromagnetischen Wellen kommt. Hierzu sind insbesondere verdrillte Zweidrahtleitungen vorteilhaft, die eventuell zusätzlich abzuschirmen sind. Um sicherzustellen, dass sich ein dominantes Error-Flag auf dem Bus durchsetzt, kann zusätzlich eine dritte Frequenz FE festgelegt werden, welche beim Entdecken eines Fehlers gesendet wird. Hierdurch kann eine noch schnellere Verbreitung der Information, dass ein Fehler festgestellt wurde, erreicht werden.
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Bei Einsatz einer Frequenzmodulation als Bit-Codierungsverfahren kann es auch vorteilhaft sein, jeweils mehrere zu sendende Bits einer Nachricht zusammenzufassen und in eine Frequenzinformation umzuwandeln. Beispielsweise können je zwei Bits zusammengefasst werden und vier verschiedene Frequenzinformationen, insbesondere einzelne Frequenzen, Frequenzkombinationen oder Frequenzgruppen, zur Darstellung der vier möglichen Werte der zwei Bits verwendet werden. Bei Zusammenfassung von jeweils drei Bits sind entsprechend acht verschiedene Frequenzen, Frequenzkombinationen oder -gruppen nötig, allgemein bei Zusammenfassung von N Bits sind 2N unterschiedliche Frequenzinformationen zur Abbildung nötig. Im Empfänger wird dann die empfangene Frequenzinformation wieder in die serielle Bitfolge umgewandelt, so dass die nachfolgende Verarbeitung im Wesentlichen unverändert erfolgen kann.
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In einer weiteren möglichen Ausführungsform kann in diesem Fall das Bit-Stuffing aus dem Norm-CAN für den Bereich, in dem eine Frequenzmodulation als alternatives Codierungsverfahren genutzt wird, ausgesetzt werden. Das Stuffing (vgl. ISO 11898-1 Kap. 10.5) verhindert in der Norm-CAN-Datenübertragung das Auftreten von mehr als fünf aufeinander folgenden Bits mit gleichem Buspegel durch Einstreuen von zusätzlichen, entgegengesetzten Bits und stellt dadurch unter anderem sicher, dass in nicht zu großen Abständen Flanken zur Synchronisierung des Bit-Timings der verschiedenen Busteilnehmer auf dem Bus zur Verfügung stehen. Bei Anwendung des Frequenzmodulationsverfahrens kann in manchen Ausführungsformen nicht mehr von aufeinander folgenden Bits mit gleichem Buspegel gesprochen werden. Dementsprechend ist das Einfügen von Stuff-Bits durch den jeweiligen Sender in dem Bereich, in dem eine Frequenzmodulation als alternatives Codierungsverfahren angewendet wird, dann nicht mehr notwendig. In den Empfängern ist der Empfangsprozess für diesen Bereich analog anzupassen.
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Ebenfalls möglich ist es, eine Amplitudenmodulation beziehungsweise Amplitudenumtastung zur Codierung der Bits anzuwenden. In diesem Ausführungsbeispiel werden im Zustand AC-CAN-Data die dominanten und rezessiven Bits des Bitstroms der Nachricht als Signal vorgegebener Frequenz F0 mit wenigstens zwei unterschiedlichen Amplituden, zum Beispiel AD und AR, dargestellt, welches auf die Busleitungen aufgebracht wird. Es können auch Amplitudenbereiche zur Darstellung der beiden Bits verwendet werden. Die Amplituden sind in diesem Fall so wählen, dass sie ausreichend Abstand zueinander aufweisen, um sicher unterschieden werden zu können. Die Grundfrequenz F0 und die Leitungsanordnung sind so zu wählen, dass es nicht zu unzulässiger Abstrahlung von elektromagnetischen Wellen kommt. Hierzu sind insbesondere verdrillte Zweidrahtleitungen vorteilhaft, die eventuell zusätzlich abzuschirmen sind. Um sicherzustellen, dass sich ein dominantes Error-Flag auf dem Bus durchsetzt, kann zusätzlich eine dritte Amplitude AE, insbesondere eine besonders hohe Amplitude festgelegt werden, welche beim Entdecken eines Fehlers gesendet wird. Hierdurch kann wiederum eine noch schnellere Verbreitung der Information, dass ein Fehler festgestellt wurde, erreicht werden.
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Es können auch weitere dem Fachmann bekannte Codierungsverfahren beziehungsweise Modulationsverfahren zum Einsatz kommen. In jedem Fall ist für die gewählte Bit-Codierung analog den zuvor geschilderten Ausführungsbeispielen ein Mechanismus einzuführen, der es den Busteilnehmern erlaubt, das rezessiv gesendete Bit eines nach der Arbitrierung sendeberechtigten Busteilnehmers im Fehlerfall durch ein dominantes Bit beziehungsweise ein aus mehreren dominanten Bits bestehendes Error-Flag zu überschreiben.
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Der erfindungsgemäße AC-CAN Controller muss in Verbindung mit einer oder mehreren geeigneten Busanschlusseinheiten beziehungsweise Transceivern die unterschiedlich codierten Signale über die Busleitungen übertragen. Hier sind verschiedene Anordnungen möglich.
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In 3a ist beispielhaft ein Blockschaltbild einer zugehörigen Busanschlusseinheit 100 beziehungsweise eines AC-CAN Transceivers dargestellt Die Vorrichtung weist eine Schaltung mit Schaltungselementen auf, welche sich in einen Sendeteilschaltung 110 und eine Empfangsteilschaltung 120 unterteilen lässt. Die Sende- und Empfangsteilschaltung können miteinander in Verbindung stehen oder auch gemeinsame Schaltungselemente aufweisen. Die Vorrichtung weist weiterhin die notwendigen Anschlussmöglichkeiten auf, insbesondere die Anschlüsse CANH, CANL für den Busanschluss, die Anschlüsse RxD und TxD zum Empfang und Senden von logischen Daten von bzw. an den AC-CAN-Controller, den Anschluss Vcc zur Bereitstellung einer Versorgungsspannung, sowie GND zur Bereitstellung einer Erdung. Weitere mögliche Anschlüsse können gemäß dem Stand der Technik beispielsweise umfassen: Enable-Eingänge, Wakeup-Eingänge, Standby-Eingänge etc. Diese wurden hier der Einfachheit halber weggelassen. Die Sendeteilschaltung 110 erzeugt basierend auf zumindest dem Sendesignal TxD des AC-CAN-Controllers Ausgangssignale für die Busanschlüsse CANH und CANL. Die Empfangsteilschaltung 120 erzeugt basierend auf zumindest der Differenz der Eingangssignale der Busanschlüsse CANH und CANL ein Empfangssignal RxD für den AC-CAN-Controller.
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Im in 3a dargestellten Fall generiert der AC-CAN Controller das serielle Bit-Signal und gibt es über die Leitung TxD an den Transceiver 100. Im Zustand AC-CAN Data ist das über die Leitung TxD übermittelte Signal beispielsweise nach einem NRZI-Verfahren codiert und wird mit höherer Taktrate übertragen. Der im Beispiel dargestellte Transceiver 100 ist über die Switch-Leitung SW vom AC-CAN Controller umschaltbar, so dass er je nach Codierungsverfahren die entsprechenden Spannungspegel auf den Busleitungen erzeugt. Diese Anordnung ist beispielsweise für die Anwendung einer NRZ-Codierung, die gegenüber der CAN-Norm einen geringeren Spannungs-Hub aufweist, oder einer NRZI-Codierung möglich.
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Optional kann der AC-CAN-Controller auch, wie in 3b dargestellt, über getrennte Switch-Leitungen SW-R und SW-T mit dem Transceiver 100 verbunden sein, um ihn gezielt in den Zustand „AC-CAN Transmit” oder „AC-CAN-Receive” zu schalten. Falls die Codierung z. B. darin besteht, dass der rezessive Pegel vom sendenden Busteilnehmer schwach getrieben wird und dass von den Busteilnehmern im Empfangspfad leicht unterschiedliche Schwell-Werte oder Filter eingesetzt werden, ist es sinnvoll, den Transceiver getrennt in die Zustände „AC-CAN Transmit” oder „AC-CAN-Receive” zu schalten, da ein empfangender Busteilnehmer zwar die anderen Schwell-Werte oder Filter verwenden soll, aber den rezessiven Pegel nicht ebenfalls schwach treiben soll, da sonst der resultierende, von mehreren Busteilnehmern getriebene rezessive Pegel nicht mehr durch ein dominantes Bit überschrieben werden könnte.
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In anderen Fällen, beispielsweise bei der Verwendung einer Amplituden- oder Frequenzumtastung oder -modulation wird auch eine andere Anordnung in Betracht kommen, bei welcher eine separate Busanschlusseinheit, etwa ein separater Transceiver zur Erzeugung der modulierten Wechselspannung und zu deren Aufbringung auf die Busleitungen herangezogen wird, wobei diese Busanschlusseinheit oder dieser Transceiver vom AC-CAN Controller über separate Verbindungen angesteuert wird. Der AC-CAN Controller kann hierzu optional einen zweiten RxD-Eingang haben, an den der Ausgang eines zweiten, separaten AC-CAN-Transceivers angeschlossen wird, während die Ansteuerung im Sendefall über einen mit beiden Transceiver verbundenen TxD-Ausgang erfolgt. Es können aber auch sowohl TxD-Ausgang, als auch RxD-Eingang für jeden verbundenen Transceiver separat vorgesehen sein.
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Es kann in allen geschilderten Codierungsvarianten sinnvoll sein, die definierten Abschlusswiderstände des Norm-CAN durch schaltbare Abschlusseinheiten, beispielsweise schaltbare Widerstände in den Busanschlusseinheiten, welche in Verbindung mit den AC-CAN Controllern stehen, zu ersetzen. Auf diese Weise kann im Zustand AC-CAN-Data der wirkende Widerstandswert modifiziert werden, oder es können die Widerstände vollständig von der Busleitung getrennt werden.
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Die Abschlusswiderstände sind in Norm-CAN Netzwerken typischerweise als zwei Widerstände von je 120 Ohm im Bereich der Leitungsenden oder an zwei relativ weit voneinander entfernten Busteilnehmern ausgeprägt. In einem Bussystem, in welchem das erfindungsgemäße Verfahren zur Anwendung kommt, können die Abschlusswiderstände über viele oder alle Busteilnehmer verteilt werden, wobei die individuellen Widerstandswerte je Busteilnehmer entsprechend anzupassen sind. Die erfindungsgemäßen AC-CAN Controller oder zugehörigen Busanschlusseinheiten oder Transceiver werden durch einen geeigneten Ausgang in die Lage versetzt, eine Umschaltung zwischen wenigstens zwei verschiedenen Abschlusseinheiten, beispielsweise Widerständen, welche zwischen den Busleitungen angeordnet sind vorzunehmen.
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In 3b ist ein Blockschaltbild einer zugehörigen Busanschlusseinheit beziehungsweise eines AC-CAN Transceivers dargestellt, dessen Switch-Eingang SW zusätzlich mit einem Schaltelement 130 verbunden ist Das Schaltelement ist einerseits mit dem Busanschluss CANL verbunden, andererseits mit beispielsweise zwei verschiedenen Widerständen R1 und R2, welche wiederum mit dem Busanschluss CANH in Verbindung stehen. Das Schaltelement kann somit abhängig von einem Steuersignal, welches am Switch-Eingang SW anliegt, den ohmschen Widerstand zwischen den Busleitungen verändern.
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Für angenommene 50 Teilnehmer, jeweils ausgestattet mit AC-CAN Controllern und AC-CAN Transceivern, an einem Bussystem könnten beispielsweise in jedem Teilnehmer zwei schaltbare Widerstände von R1 = 6 kOhm und R2 = 60 kOhm vorgesehen werden. Durch die Schaltbarkeit kann dann erreicht werden, dass in den Zuständen AC-CAN-Arbitration und Norm-CAN wie gewohnt ein Widerstand von 1/50 × 6 kOhm, also 120 Ohm zwischen den Busleitungen vorliegt, dass jedoch im Zustand AC-CAN-Data der Widerstand durch Umschalten in allen Busteilnehmern beispielsweise verzehnfacht würde. Beliebige andere Widerstandswerte sind analog darstellbar. Der sendende Busteilnehmer muss dann im Zustand AC-CAN-Data beim Aufbau des vorgesehenen Spannungspegels nicht gegen den Entladestrom über die Abschlusswiderstände arbeiten und kann so schneller die Zielspannung aufbauen. Um eine flexible Einsetzbarkeit in Bussystemen mit unterschiedlichen Anzahlen von Busteilnehmern zu ermöglichen, könnten die Werte der schaltbaren Widerstände durch geeignete Mittel konfigurierbar ausgeführt werden.
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Anhand 4 wird im Folgenden der Aufbau der verwendeten Nachrichten, insbesondere die Bereiche mit unterschiedlicher Codierung der Bits in Abhängigkeit vom jew. Zustand des Controllers und die erfindungsgemäße Kennzeichnung erläutert.
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4 zeigt die Struktur einer CAN-Nachricht gem. ISO 11898-1 in den zwei möglichen Varianten, dem Standard Format und dem Extended Format Für beide Varianten sind die Bereiche eingezeichnet, in denen erfindungsgemäß zwischen den Zuständen AC-CAN-Arbitration 102 und AC-CAN-Data 103 umgeschaltet wird. Ebenfalls dargestellt ist die damit einhergehende Umschaltung der verwendeten Bitcodierung, im dargestellten Beispiel vom normgemäßen NRZ-Verfahren auf ein NRZI-Verfahren. Andere mögliche Verfahren wurden bereits weiter oben aufgezählt Schließlich wird noch die in diesem Ausführungsbeispiel gewählte Position der erfindungsgemäßen Kennzeichnung im „reserved bit” R0, das vor dem DLC übertragen wird, dargestellt Eine andere mögliche Kennzeichnung ist etwa für Extended Format Botschaften durch das SRR-Bit gegeben.
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Das erste dargestellte Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren ist also ein Übertragungsverfahren, in welchem nach erfolgter Arbitrierung derjenige Busteilnehmer, der den Buszugriff erfolgreich erlangt hat, ab einem vorgegebenen oder vorgebbaren Bit der Nachricht die Übertragung der weiteren Bits der Nachricht durch Umschaltung auf eine geänderte Bit-Codierung so durchführt, dass die zu übertragenden Bits schneller übertragen werden und/oder die Übertragung störsicherer ist und/oder die bei der Übertragung entstehenden elektromagnetischen Wellen reduziert sind. Dieses erste Ausführungsbeispiel steht stellvertretend für eine ganze Gruppe von Ausführungsformen, in denen die Umschaltung auf die geänderte Bit-Codierung erst nach erfolgter Arbitrierung durchgeführt wird. Für die anzuwendende Bit-Codierung gibt es hierbei, wie dargestellt, vielfältige Möglichkeiten.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren, welches stellvertretend für eine zweite Gruppe von Ausführungsformen steht, wird im Folgenden anhand der 5 und 6 dargestellt. Es zeichnet sich dadurch aus, dass durch eine Zeitsteuerung zumindest für einige der erfindungsgemäß modifizierten Nachrichten gleichzeitige Sendeversuche unterbunden werden und dementsprechend schon früher innerhalb der entsprechenden Nachrichten auf eine alternative, beispielsweise schnellere Codierung der Bits umgeschaltet werden kann. Insbesondere kann diese Umschaltung schon während der Übertragung des Arbitrationsfeldes erfolgen.
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5 zeigt hierzu eine System-Matrix eines TTCAN-Netzwerkes gem. ISO 11898-4 mit den dort beschriebenen Basiszyklen und Zeitfenstern. Es gibt Zeitfenster, die mit „Message A”, „Message C”, etc. bezeichnet sind, die exklusiv für die Übertragung bestimmter Nachrichten zur Verfügung stehen, während in anderen Zeitfenstern, die mit „Arbitration” bezeichnet sind, der Buszugriff durch gewöhnliche CAN-Arbitirierung vergeben wird.
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Im zweiten Ausführungsbeispiel werden alle Nachrichten, für die nichts anderes beschrieben ist, gemäß dem Verfahren aus dem ersten Ausführungsbeispiel behandelt Darüber hinaus wird für bestimmte, vorab festgelegte, exklusiv vergebene Zeitfenster eine Umschaltung der Bit-Codierung schon früher, beispielsweise ab dem SOF-Bit vorgenommen und beispielsweise bis zum Ende des CRC-Feldes aufrechterhalten. Ein Beispiel für eine derartig modifiziert übertragene Nachricht ist in 5 dargestellt. Als Kennzeichnung für die bevorstehende modifizierte Übertragung kann beispielsweise ein reserviertes Bit der vorangehenden Referenzbotschaft herangezogen werden. Das Setzen dieses Bits würde im beschriebenen Fall signalisieren, dass die Nachrichten, die im folgenden Basiszyklus in exklusiven Zeitfenstern übertragen werden, bereits ab dem SOF-Bit und bis zum Ende des CRC-Feldes mit umgeschalteter Bit-Codierung, beispielsweise nach einem NRZI-Verfahren oder über Amplituden- oder Frequenzumtastung übertragen werden.
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In einer anderen Ausführungsform ist es denkbar, dass lediglich diejenigen exklusiven Nachrichten, die in jedem Basiszyklus, also mit Wiederholungsfaktor eins übertragen werden, durch das Verfahren modifiziert übertragen werden. Dieser Fall ist explizit in 5 dargestellt. In der beispielhaft dargestellten System-Matrix würden dann die mit „Message A” und „Message C” bezeichneten Nachrichten nach dem erläuterten Verfahren übertragen werden, mit einer entsprechenden Kennzeichnung in der jeweils vorangehenden Referenzbotschaft.
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Für das im zweiten Ausführungsbeispiel beschriebene Verfahren ist es auch möglich, auf die Kennzeichnung zu verzichten und festzulegen, dass in allen exklusiven Zeitfenstern die Nachrichten grundsätzlich in einem festgelegten Bereich wie zum Beispiel zwischen SOF-Bit und dem Ende des CRC-Feldes mit modifizierter Bit-Codierung übertragen werden. Aus diesem Grund ist in 5 die Kennzeichnung mit dem Hinweis „optional” versehen.
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Da die Umschaltung der Bit-Codierung im Zustand AC-CAN-Data auch mit einer schnelleren Übertragung der Bits beziehungsweise einer Erhöhung des Bustaktes einhergehen kann, verändert sich auch die Zeitdauer, die zur Übertragung der zugehörigen Bits benötigt wird. Durch Oszillatorungenauigkeiten und Abweichungen in den exakten Umschaltzeitpunkten kann es nötig sein, ein gegenüber dem in der ISO 11898-1 spezifizierten Verfahren modifiziertes Verfahren für die Behandlung der Sendebestätigung (CRC-Delimiter und Acknowledge-Slot) anzuwenden, wie in 7 näher erläutert wird.
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In 7 unter „A” dargestellt ist der ideale Ablauf des Überganges vom Zustand AC-CAN-Data nach AC-CAN-Arbitration bei sehr kurzen internen Verarbeitungs- und Signallaufzeiten. Der Sender sendet den CRC-Delimiter als ein einziges, rezessives Bit und wechselt gemäß den vorausgehend beschriebenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung beispielsweise am Sample-Point dieses CRC-Delimiter Bits oder nach Verstreichen einer festgelegten Zeit danach in den AC-CAN-Arbitration Zustand. Auch die Empfänger wechseln beispielsweise an dieser Bit-Position in den Zustand AC-CAN-Arbitration. Diese Zustandsübergänge T4 können, etwa aufgrund von Signallaufzeiten oder internen Verarbeitungszeiten, in den verschiedenen Busteilnehmern zu nicht exakt übereinstimmenden Zeitpunkten stattfinden. Die beteiligten Busteilnehmer setzen also zu nicht exakt übereinstimmenden Zeitpunkten das Verfahren zur Bit-Codierung wieder in den Ausgangszustand. Daraus resultieren für die Busteilnehmer unterschiedliche Startzeitpunkte des nächsten Bits.
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Nach Empfang des CRC-Delimiter sendet jeder Empfänger, wenn sein CRC-Check positiv war, ein einzelnes dominantes Acknowledge-Bit. Geschieht dies relativ spät, weil beispielsweise die Empfänger an entfernten Enden des Busses angeschlossen sind, kann das rezessive CRC-Delimiter-Bit länger als ein Bit erscheinen. Dieser Fall ist in 7 unter „B” dargestellt. Durch Überlagerung von Acknowledge-Bits kann zudem der Acknowledge-Slot länger als ein Bit erscheinen, wie in 7 unter „C” dargestellt ist. Um die phasenverschobenen Sendezeitpunkte dieser Acknowledge-Bits gegebenenfalls auszugleichen, kann die Behandlung dieser Bits in AC-CAN Controllern dahingehend verändert werden, dass im Zustand AC-CAN-Arbitration ein dominanter Acknowledge-Slot von ein oder zwei Bit Länge, der direkt nach dem CRC-Delimiter oder auch ein Bit später beginnt, als gültiges Acknowledge anerkannt wird.
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Durch die fallende Flanke des Acknowledge-Bit sind anschließend die Busteilnehmer im Rahmen des üblichen Resynchronisations-Mechanismus wieder synchronisiert Wenn vom Sender nach dem ersten Bit des CRC-Delimiters nicht nur ein, sondern zwei weitere rezessive Bits empfangen werden, ist dies für ihn ein Acknowledge-Error. Wenn nach dem zweiten dominanten Acknowledge-Bit ein drittes dominantes Bit empfangen wird, ist dies für alle ein Format-Error.
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Auf den Acknowledge-Slot folgt, wie im Norm-CAN, ein rezessiver Acknowledge-Delimiter, der ein Bit lang ist Wie im Norm-CAN wird ein AC-CAN Empfänger, der einen CRC-Fehler erkannt hat, den Error-Frame erst in dem Bit nach dem Acknowledge-Delimiter starten.
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Zusammenfassend liegt durch die dargestellte Erfindung ein Verfahren vor, durch welches in einem CAN-Netzwerk Nachrichten durch eine geänderte Bit-Codierung in kürzerer Zeit und/oder unter reduzierter Abstrahlung von elektromagnetischen Wellen und/oder mit höherer Störsicherheit übertragen werden können und gleichzeitig wesentliche Eigenschaften des CAN hinsichtlich Fehlererkennung und -Behandlung sowie netzwerkweite Datenkonsistenz erhalten bleiben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10000305 A1 [0002]
- DE 10153085 A1 [0005]
- DE 10311395 A1 [0006]
- DE 102007051657 A1 [0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- G. Cena und A. Valenzano behandeln in „Overclocking of controller area networks” (Electronics Letters, Vol. 35, No. 22 (1999), S. 1924) [0008]
- ISO 11898-1 bis -4, [0010]
- Norm-CAN genannt wird [0010]
- CAN-Norm ISO 11898-1 [0012]
- CAN-Norm ISO 11898-1 [0012]
- ISO 11898-1 [0020]
- ISO 11898-1 Kap. 10.4.4.2 [0041]
- ISO 11898-1 Kap. 10.5 [0048]
- ISO 11898-1 [0061]
- ISO 11898-4 [0064]
- ISO 11898-1 [0068]
